（材料加工工程专业论文）不锈钢激光—mag电弧复合热源焊接工艺及机理研究.pdf

摘要 本文在综合国内外激光电弧复合热源焊接技术研究状况的基础上，以不锈钢为研 究对象，系统研究了低功率y a g 激光m a g 电弧旁轴复合热源的焊接特性，分析了各 种参数对焊接接头的熔深、熔宽及余高的影响：在前期工艺的基础上对实际生产中的 工件进行了焊接；分析了复合热源和单m a g 焊接接头的微观组织和力学性能；利用 高速摄像系统和光谱仪分析了复合热源焊接过程中激光与电弧相互作用形态及等离子 体发射光谱特点；计算对比了复合和单m a g 焊接电弧等离子体的电子温度与密度， 验证了复合热源和单m a g 焊接所处的热力学平衡状态，探索了激光与电弧相互作用 机制，为深入研究低功率激光m a g 复合热源焊接中激光与电弧的相互作用机理奠定 了基础，同时也验证了该焊接技术应用于实际生产的可行性。 关键词：不锈钢低功率脉冲y g 激光复合焊接激光吸引压缩电弧电子密度和 电子温度发射光谱微观组织和力学性能 a b s r i r a c t b a s e do ns y n t h e t i ca n d s y s t e m a t i c a la n a l y s i so ft h es t a t e - o f - t h e - a c to fl a s 髓- a r ch y b r i d w e l d i n gt e c h n i q u e , t h ew e l d i n gc h a r a c t e n s t i c so fl o wp o w e r e dy a gl a s e r - p a r a x i a lm a g a r ch y b 耐w e l d i n go fs t a i n l e s ss t e e la r cs t u d i e di nt h i sp a p e r t h ei n f l u e n c eo ns t a b i l i z a t i o n o fw e l d i n gp r o c e s s ，p e n e t r a t i o nd e p t h , w e l dw i d t ha n dr e i n f o r c e m e n th e i g h to fv a r i o u s w e l d i n gp a r a m e t e r sa r ca n a l y z e d b a s e dt h ep r e v i o u sw e l d i n gt e c h n o l o g y ，ap r a c t i c a l w o r k p i e c ew a sw e l d e db yl o wp o w e r e dy a gl a s e r - p a r a x i a lm a ga r ch y b r i dw e l d i n g t e c h n o l o g y t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo fh y b r i da n ds i n g l em a g w e l d e d j o i n tw c i ea n a l y z e da n dt e s t e db ym o d e ma n a b r t i ci n s t n n n e n t t h ec h a r a c t e r i s t i c so f w e l d i n g a r cp l a s m ac o n f i g u r a t i o na n de m i s s i o ns p e c t r u mi nl o w - p o w e ry a gl a s e r - m a gh y b r i d w e l d i n gp r o c e s sw e r ei n v e s t i g a t e db yh i g hs p e e dc a m c r aa n ds p e c t r o m e t e ri nt h i sp a p e r , t h e e l e c t r o nd e n s i t ya n dt e m p e r a t u r eo fh y b r i dw e l d i n ga r c # a s m aw e r ea l s oa n a l y z e di n c o n t r a s tw i t ht h a to fs i n o em a g w e l d i n ga r c ，t h em e c h a n i s mo fl a s e ri n t e r a c tw i t ha r cw a s i n v e s t i g a t e d , v e r i f yt h el o c a lt h e r m a le q u i l i b r i u m ( l t e ) o fh y b r i dw e l d i n ga n ds i n # em a g w e l d i n g , w h i c hp r o v i d eat h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lf o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d yo nl o w - p o w e r l a s e r - m a gh y b r i dw e l d i n gt e c h n i q u e k e yw o r d s ：s t a i n l e s ss t e e ll e w - p o w e rp u l s e dy a g i t s e l f h y b r i dw e l d i n g l a s e r - i n d u c e da t t r a c t i o na n dc o n t r a c t i o no fa 肫e l e c t r o nd e n s i t ya n de l e e t r o n t e m p e r a t u r e e m i s s i o ns p e c t r u m m i c r o s t r n c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，不锈钢激光m a g 电弧复合热源 焊接工艺及机理研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： ，l i 嗑2 越五年王月2 三日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：糜基2 芝2 年上月丝日 指导导师签名：年上月三之日 第一章绪论 1 1 引言 自1 9 6 0 年6 月，美国人工h m a i m a n 在休斯研究所成功的研制出世界上第一台 实用的红宝石激光器以来，在短短的几十年里激光技术得到了飞速的发展。相继出现 了各种各样的激光器，如气体激光器，液体激光器、半导体激光器及准分子激光器等， 其激光器功率等级和光束质量在不断的提高、传输和聚焦方式也在不断的优化。 激光加工作为- i - j 崭新的材料加工技术在很多行业得到了广泛的应用。在工业中， 激光主要应用于钻孔、切割、焊接、表面改性、打标等。近年来又开辟出了一些新的 领域，如激光快速成型与校型、激光微细加工、纳米材料的制备及激光复合加工等。 目前他已经发展成为了一个世界范围的产业不同地区的各个行业有所不同：在美国， 激光加工主要应用于汽车业和金属加工业；在亚洲，电气工业和半导体工业则是激光 器供应商的最大客户；在欧洲，金属加工业和汽车业中的激光加工应用较多，而在半 导体工业则相对较少。另外，在欧洲，激光器在其它行业，如塑料加工业中也有广泛 的应用u ! 。 2 1 0 图1 1 给出了各种激光加工方法在重要工业领域中的应用比例1 1 。 图1 1 各种激光加工方法的应用比例 汽车工业是激光加工最重要的应用部门，主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。 从图1 2 中小轿车的生产工艺可以看出，激光加工方法在很大范围内得到了成功应用 。其中激光焊接技术的应用最为广泛。 激光焊接作为激光加工的重要应用领域之一，在汽车制造，航空航天、船舶制造、 钢铁行业、电子行业、压力容器以及医用仪器等工业领域的应用日益广泛。激光焊接 具有速度高，接头质量好等优点而受到人们关注，但激光焊接能量利用率低，成本高， 焊接时对被焊工件的间隙及位置精度要求很高，所以其广泛应用受到了很大的限制。 为了扩大激光焊接的应用范围，增强和改善激光焊接的效果，降低激光焊接设备的成 本，上个世纪7 0 年代兴起的激光电弧复合焊接技术具有焊接速度快、接头质量高等 一系列优点，已成为国内外激光焊接技术领域的研究热点之一。 图1 2 工业激光器在汽车生产中的应用 1 2 激光焊接基本知识 1 2 1 激光焊接的基本原理 激光是由于受激辐射产生的一种单色性好，方向性好，亮度高，相干性好的电磁 波，由于以上这些显著的特性，激光束的能量才可以汇聚到一个相对较小的点上，使 得工件上的功率密度能达到1 0 7 w c m 2 以上。这个数量级的入射功率密度可以在极短的 时间内使加热区的金属汽化，从而在液态熔池中形成一个小孔，称之为匙孔。光束可 以直接进入匙孔内部，通过匙孔的传热，获得较大的焊接熔深。激光焊接的实质是激 光与非透明物质相互作用的过程，这个过程极其复杂，微观上是一个量子过程。宏观 上表现为反射、吸收、熔化、气化等现象。k 3 j 。 1 2 2 激光焊接的分类 目前，在焊接加工中最常用的激光器主要有气体激光器和固体激光器，气体激光 器以c 如激光器为主，固体激光器以y a g 激光器为主 根据激光与工件之间的相互的作用方式，激光焊接可分为脉冲激光焊和连续激光 焊，脉冲激光焊接时，n d ：y a g 激光的脉冲峰值功率能够达到比最大平均功率高3 0 倍 以上的水平，因此低功率激光的脉冲峰也能产生很高的能量，使大多数材料达到气化 温度，而c 0 2 激光产生的脉冲峰值功率只能达到连续功率的2 - 5 矧，因此脉冲激光 焊中大量使用的是y a g 激光器。另外利用打开或关闭激光器上的光闸也可以将连续输 出的激光用于脉冲焊接。 根据实际作用在工件上的功率密度，激光焊接可以分为热导焊和深熔焊。 2 热传导焊接时，由于激光的入射功率密度较低，工件吸收的能量不足以使金属气 化，只发生熔化，此时金属的熔化是通过对激光辐射的吸收及热量传导进行的，故称 之为热导焊。由于没有蒸汽压力作用，在热导焊时熔深一般较浅和宽。这种焊接方法 与非熔化级电弧焊相似，熔池形状一般为半球形。 深熔焊接时，工件上的激光功率密度达到l o t w c m 2 以上时，激光束照射到金属表 面时，在束斑作用区域内的金属瞬间达到熔化、汽化温度，气态金属产生的蒸汽压力 很高，并伴随金属蒸气的电离形成等离子体，汽化金属和等离子体的喷发所产生的反 作用力，这些力足以克服液态金属的表面张力并把熔融的金属吹向四周，形成匙孔。 由于激光在匙孔内的多重反射，匙孔几乎可以吸收全部的激光能量，再经内壁以热传 导的方式通过熔融金属传到周围固态金属中去。当工件相对于激光束移动时，液态金 属在小孔后方流动、逐渐凝固，形成焊缝，这种焊接机制称为深熔焊。这种焊接方式 常形成深宽比大的焊缝。图1 3 描绘了这两种焊接模式的基本原理1 1 1 。图1 4 为激光焊 接两种基本模式的熔池结构示意图1 1 。 图1 3 激光焊接的基本模式 i 肄凼f 休云 乏熔化材辩 3 匙彳l 4 舔漾 热导焊模式 深熔焊模式 图1 4 激光焊接两种模式的熔池形态 3 激光深熔焊接具有以下优点： ( 1 ) 能量密度高、焊缝深宽比大( 最大可达1 2 ：1 ) ，可应用于其它熔焊方法难以焊 接的材料和接头形式； ( 2 ) 热输入量小、热影响区窄、工件焊接变形小，可用于热敏感材料焊接及作为最 后一道加工工序； ( 3 ) 光束可柔性传输和精细聚焦，适合复杂形状轨迹的自动化焊接； ( 4 ) 同电子束相比，无需真空保护，并且不存在x - 射线污染； ( 5 ) 焊接过程不需填加金属，焊接效率高、重复性好、系统集成度高。 ( 6 ) 焊道窄且表面质量好，焊缝强度高( f i l l 度增加同时焊缝尺寸减小，与 不连续电阻点焊相比较具有较高的静载强度和疲劳强度) ； ( 7 ) 可实现异种材料的焊接； ( 8 ) 焊接速度通常比其它焊接工艺快； ( 9 ) 某些情况下可减少后处理工序( 如焊缝的清理) 。 与此同时，激光束焊接技术应用的局限性： c 1 ) 大功率激光器价格昂贵，使得设备投资很大一， ( 2 ) 激光束直径很小( o 1 - 0 3 m m ) 。焊接时装配间隙要小于激光直径，对 工件的装配要求严格( 要求无间隙或微小间隙，错边、对中要求严格) ； ( 3 ) 高反射金属( 铝及合金、铜及合金) 焊接十分困难； ( 4 ) 容易产生气孔、缩孔、咬边等焊接缺陷； ( 5 ) 激光焊接时产生的等离子体吸收、反射激光再加上对激光的反射，所以焊接 效率较低； 。 ( 6 ) 焊接淬硬性材料时易形成硬脆接头。 上述问题的存在极大地限制了激光焊接技术的应用范围1 4 1 4 6 1 。如何解决激光焊接的 高成本、低适应性( 装配条件、高反射材料) 问题，一直是激光焊接研究者与应用者 关注的焦点。 1 3 激光一电弧复合热源焊接技术概论 1 3 1 激光一电弧复合热源焊接的原理和特点 激光电弧复合热源焊接技术是由英国学者w s t e 2 n 于2 0 世纪7 0 年代末期首次提 出来的7 1 ，其主要思想是有效利用电弧能量，在较小的激光功率条件下获得较大的焊 接熔深，同时提高激光焊接对焊缝间隙的适应性，实现高效率、高质量的焊接过程。 激光一电弧复合热源焊接是将电弧与激光共同作用在被焊工件上，在激光一电弧 复合热源焊接过程中，两种能量相互作用、相互影响，激光在熔池中形成的匙孔吸引、 压缩电弧，使得电弧的电流密度大大提高，使焊缝形状发生改变，并由于激光的吸引 作用增强了焊接过程的稳定性，由于电弧的介入，激光焊接对焊缝间隙的适应性也大 大提高，并增加了被焊工件对激光的吸收率，从而实现了高效率、高质量的焊接过程。 4 复合使得两种热源既充分发挥了各自的优势，又相互弥补了对方的不足，从而形成了 一种高效的热源略卜1 1 1 1 0 其复合原理如图1 5 所示。 由于激光与电弧复合热源焊接的方法恰好弥补了激光或电弧作为单一热源的不 足，并且由于复合热源在提高焊接过程稳定性和焊接质量，降低成本方面较单一热源 具有较大的综合优势，而且由于近年来对大厚板件和一些难焊材料的加工要求逐渐增 加，利用复合热源进行焊接生产已经成为了各国研究者所针对的热点研究问题，并成 为未来的发展趋势之一。 图1 5 激光一电弧复合热源焊接原理 激光一电弧复合热源的主要优点是n 2 1 4 1 ： ( 1 ) 降低焊接成本 熔融金属表面的反射率要比固态金属表面的反射率低。当激光辐射到母 材的液态熔池时，母材能够吸收更多激光的能量，提高熔化深度。复合热源焊接与同 等功率的单独激光焊接相比平均提高熔深5 0 以上，保证同等熔深条件下可以提高焊 接速度1 2 倍。这就意味着降低了激光器的功率等级、提高效率，从而降低焊接成本。 ( 2 ) 改善焊缝成形 激光与电弧复合焊接所形成的较大熔池，可以改善熔化金属与固态母材的润湿性、 消除焊缝咬边现象。而且激光和电弧的能量都可以单独调节，将两种能源适当配比即 可获得不同的焊缝深宽比。 ( 3 ) 减少焊接缺陷和改善微观组织 复合热源焊接时能够有效地减缓熔池金属的凝固时间，使相变能够较充分的进行， 而且有利于焊接熔池中气体的逸出，提高焊缝质量，减少气孔、裂纹、咬边等缺陷。 采用激光与m i g 复合焊时，通过选用合适的填充金属或者焊丝，改善焊缝金属，对于 焊接某些高碳钢、铝合金非常有意义。 5 ( 4 ) 增加适应性 电弧的加入增加了工件表面熔合区宽度，使得复合热源焊接降低了对间隙、对中 度、错边的敏感性。激光一m i g 复合比激光一1 r i g 复合提高适应性效果更好。 ( 5 ) 焊接过程更稳定 当激光和t i g 复合焊接时，激光等离子体为电弧稳定燃烧提供充足的带电粒子， 使得电弧燃烧稳定并吸引电弧，在高速焊接时不易发生电弧漂移或拉断现象。当激光 和m i g 复合焊接时，由于激光和电弧之间的作用使焊接过程变得非常稳定，甚至可以 实现无飞溅焊接。 ( 6 ) 焊接效率大大提高 激光与电弧复合能够提高焊接速度，而且与常规弧焊相比，热输入量较小，因此 热影响区较小，这就意味着焊后变形量较小，相应的焊后处理工作减少，工作效率提 高。 ( 7 ) 更适用于焊接一些特殊材料。 当采用直流反接时，电弧可在激光焊接之前清洁焊缝表面，去除氧化膜，从而更 有利于焊接铝合金。 ， 1 3 2 激光一电弧复合热源焊接的分类 根据电弧种类的不同，激光与电弧的复合方法主要有以下几种：激光一1 1 g 、激光 一m i g ，激光一等离子弧复合及激光一双电弧复合等，同时，根据激光与电弧相对位 置又有旁轴复合与同轴复合之分。旁轴复合是指激光束与电弧以一定角度作用在工件 的同一位置，即激光从电弧的外侧穿过到达工件表面。同轴复合是指激光与电弧同轴 作用在工件的同一位置，即激光穿过电弧中心或电弧穿过环状激光束中心到达工件表 面。 1 、激光一1 1 g 复合热源( l a s e r - t i gw e l d i n g ) 激光一1 1 g 复合热源一开始是从c t h 激光与 r i g 电弧的旁轴复合开始的，其复合 原理如图1 6 所示电弧可以在激光前方，也可以在激光后方；可以是c 0 2 激光、也 可以是y a g 激光。采用直流正接( d a n ) 与交流t i g 焊接相比，能量输入、能量密 度和电极寿命都有增加。尤其是低电流、高焊速和长电弧时，激光n g 复合热源的 焊接速度可达到激光焊接的两倍，咬边也大大减小n 5 “1 1 7 1 激光一1 1 g 电弧复合热源 更适合于薄板高速焊接。 在随后的发展过程种有出现了激光与t i g 电弧同轴复合的方式，如图1 7 所示， 这种复合方式在焊接过程中形成的锁孔直径是单独y a g 焊接的1 5 倍m ，非常有利于 气体的溢出，对减少焊缝中的气孔非常有帮助，并且解决了旁轴复合的方向性问题， 适合于三维结构件的焊接。 6 图1 6 激光一1 1 g 电弧旁轴复合焊接原理 图1 7 激光一t i g 复合同轴复合原理 ( a ) 双束光与t i g 同轴复合o ) 多电极t i g 与激光同轴复合 2 、激光- - m i g m a g 电弧复合热源( l a s e r - m i gw e l d i n g ) 激光- - m i g m a g 复合热源焊接是利用填丝的优点，与激光一1 r i g 相比，不仅提高 焊接熔深、焊接板厚更大，增加了适应性，而且对改善焊缝冶金性能和微观组织结构 起到一定的作用。激光作用于电弧，不仅改变电弧的形态，而且在合适的焊接规范下 可以改变熔滴的过渡方式，使得焊接飞溅大大减少。m i g m a g 弧的方向性要比1 1 g 弧方向性强，通过调节电弧与激光的不同作用位置，可有效提高对间隙的容忍度，不 仅对间隙、错边、对中偏离的敏感性降低，还可以减少焊接装夹、定位、焊后处理等 许多工作。 由于激光一m i g m a g 复合存在送丝，所以绝大多数是采用旁轴复合，但是，图 1 7 ( a ) 所示的同轴复合方式也可以在y a g 激光一m i g m a g 复合焊中适用，t i s h i d e 在 研究中发现，当电弧与激光位置完全对准时，激光能量主要用于熔化焊丝而不是形成 7 锁孔，很明显，改变激光与电弧相对位置可增大熔深。图1 8 所示为激光- - m 1 g m a g 旁轴复合焊接头 1 9 1 0 图1 8 激光- - m i g m a g 旁轴复合焊接热源 3 、激光等离子弧复合焊接( l a s e r - p a ww e l d i n g ) 由于等离子弧刚性好、温度高，方向性强、电弧引燃性好；而且电极在喷嘴内部， 减少了高温金属蒸汽对电极的污染。c o ( v ) c n t r y 大学于1 9 9 2 年首先开始等离子弧与激 光复合热源焊接技术的研究啪- f 2 1 1 与t i g 电弧相比，等离子弧的能量密度更大，弧 长更长，加热区更窄，对外界的敏感性更小，非常利于进行复合焊接。因而，这种焊 接方法在薄板对接、镀锌板搭接、铝合金焊接及切割、表面合金化等方面的应用都有 研究。 激光一等离子弧复合焊接可以旁轴，也可以同轴。旁轴复合方式与激光一1 r i g 的 旁轴复合基本相似。同轴复合方式根据目前文献的报道主要有两种形式也卜仍1 。一种 是环状电极产生等离子弧，激光束从等离子弧的中间穿过，如图1 9 ( a ) 所示。另种是 则是以空心电极方式将c 0 2 激光与等离子弧进行同轴复合，激光束从空心的钨极中间 穿过，见图1 9 。等离子弧在此主要有两个功能：( 1 ) 为激光焊接提供额外的能量， 增加整个焊接过程的效率和可操作性；( 2 ) 等离子弧环绕在激光周围，可以产生热处理 的效果，减少冷却时间，从而减少了硬化和残余应力的敏感性，改善焊缝的微观组织 性能，提高焊缝的力学性能。 图1 9 激光一等离子弧间轴复合原理 ( a ) 环状电极等离子弧与激光复合o ) 空心电极等离子弧与激光复合 8 4 、多电弧复合方式( h y d r a ) h y d r a ( h y r i dw e l d i n gw i t hd o u b l er a p i da r c ) 是德国的a a c h e n 大学焊接研究所 ( i s f ) 最新研究出的一种复合方法阱1 。该方法将激光与两个m i g 电弧同时复合在一 起，每个焊炬都可相对另一焊炬和激光束位置任意调整，两个焊炬采用独立的电源和 送丝机构，如图1 1 0 所示。 在激光作用下，双电弧吸引在一起，三个热源作用于同一个熔池中，所以相互之 间位置的排布尤为重要。研究结果表明，当工件之间的间隙为零时，焊接速度比激光 一m i g 复合热源提高3 3 ，比埋弧焊提高8 0 0 。单位长度的能量输入比普通的激光 一m i g 复合熟源减少2 5 ，比埋弧焊减少8 3 ；对于5 m m 厚板2 2 0 坡口可一道焊完， 且焊接过程非常稳定，远远超过普通激光一m i g 复合热源的焊接能力。 图1 1 0h y d r a 复合热源焊接头 1 3 3 激光一m i g m a g 电弧复合热源焊接应用研究现状 英国w s t e e n 领导的课题组率先开始激光一1 1 g 电弧复合热源焊接实验研究后晒 - 2 7 1 各个国家研究人员都相继对激光一电弧复合热源焊接特点及现象进行了广泛地研 究啵“3 ，有的已经达到了工程应用的阶段。近几年来，日本、美国、德国等几个发达 国家都致力于将复合热源焊接应用于不同材料的焊接中，比如低碳钢、高碳钢、不锈 钢、铝及铝合金、以及n i 基合金。目前复合热源焊接在这些工业发达国家中已经应用 在了造船业、汽车工业、核工业、管道及油罐制造业中。 1 、大厚板复合热源深熔焊 近年来，人们一直努力将复合热源焊接增大熔深的独特优势广泛用于造船业的大 厚板焊接中。t o m m ij o k i n e n 在应用3 k w 婚激光与m i g 弧复合焊接船用a 3 6 钢时 非常成功，不仅改善热循环，焊缝硬度值满足要求，开m 型坡口焊接，最大可焊l l m m 厚板，比以往的6 m m 限度提高许多啦! 。德国的f r a u n h o f e ri l t 开展了激光m i g 复合 热源焊接厚板的研究，图1 1 1 示。并且由劳埃德罗杰斯在2 0 0 2 对其提出的复合热源 焊接技术进行了鉴定，焊接内壁厚从2 4 r a m 到1 4 4 m m 的不锈钢管，得到了很好的效 果【3 3 】。 9 图1 1 1 德国f r a u n h o f e ri l t 研究所的单道熔深1 5 r a m 的焊缝形状 美国海军连接中心针对厚钢板的复合热源焊接技术进行了系统的研究，在船板的 加强筋焊接过程中对l a s e r - - m i g 复合热源焊接与常规弧焊、激光焊进行比较研究。从 图1 1 2 的焊接结果可以明显看出复合热源的焊接优势，在该结构的焊缝总长度中5 0 应用激光一电弧复合热源焊接，其变形量仅为双丝焊的1 1 0 ，单道焊熔深可达1 5 r a m , 双道焊熔深可达3 0 m m , 焊接6 m m 厚的t 型接头时，焊接速度可达3 m m i n t ”。图1 1 3 为常规焊接、激光焊接及复合热源焊接的实验结果对比。 。 英国t w i 的研究人员3 5 1 在北非一次天然气管道铺设施工中，利用复合热源焊接 成功代替了手工m i g 焊。输气管道钢的型号为a p l 5 l x - 6 0 ，外径为7 6 2 m m ，壁厚为 1 5 9 r a m 。利用此种复合热源焊接方法所得熔深比激光焊时大了2 0 ，并且过程稳定， 飞溅比较少，焊缝较宽，余高较低。焊后x 射线探伤结果表明无裂纹及平面缺陷，气 孔率非常低，满足了工程要求。日本东芝公司用6 k w 的c o ：激光与7 0 k w 的l ( v ) b g 电弧复合，在7 0 0 m m m i n 的焊接速度下焊透了1 6 m m 厚的不锈钢板。1 5 7k 9 - m r 岫目 - 村y g 燃搿t l 0 6 d a s 。j w e l d “ 5 7k 口“、m ：，r t l ”t g a t o l 图1 1 2 激光h 日g 复合热源焊接效果 ( a ) 不同方法焊接厚板的焊缝截面c o ) 复合热源厚板对接焊缝( 间隙1 1 4 r a m , 丝径1 1 4 r a m ， 焊速1 m r a i n ) ( c ) t 型接头单面复合焊接 1 0 图1 1 3 焊接方法的比较 2 ，激光一电弧复合热源焊接铝合金和高速焊接 由于铝合金反射率大、导热性好，激光焊接时需要功率等级高并且易产生气孔、 裂纹。采用复合热源焊接可有效解决这些问题，因为；一方面，电弧形成的较大熔池 在激光束前方运动，激光束能够直接辐射到液态熔池表面，增大吸收率，提高熔深和 能量利用率( 铝合金液态熔池的反射率低于固态金属) 。另一方面，采用直流反接( d a 弹) 电弧可以在激光之前清理氧化膜。同时，电弧形成的较大熔池在激光束前方运动，增 大熔池与固态金属之间的润湿性，防止形成咬边。因而，激光一电弧复合热源焊接铝 合金也成为复合热源焊接技术的一大研究热点。 日本t s h i d a 与m h i r o k a w a 3 7 1 通过采用1 0 k wc 0 2 激光器进行l a s e r - - a ct i g 与l a s e r - - m i g ( d e c p ) 焊接a 5 0 8 3 铝合金的实验，得到了没有气孔和缩孔的焊缝， 同时咬边现象也明显减小。 日本的t o s h i h i k o 等人利用n d ：y a g 脉冲激光与电弧复合后，焊接铝合金板，取得 了比以往激光一电弧复合焊接铝合金板更好的效果，熔深增加了2 0 哪! 。 图1 1 4 为德国a a c h e n 大学采用y a g 激光与m i g 弧复合高速焊接铝合金搭接 接头形貌，其焊接速度可达8 m r a i n 以上。 焊接材料和参数：材料：e na w - 6 0 8 2 t 6 ，焊丝材料：斟越睢a 1s i 5 ，直径： 2 r a m 焊接速度：8 1 m r a i n ，单位长度能量输 入量：7 3 0 j c m 图1 1 4l a s e r - m i g 复合焊接的搭接接头 c o ( 、0 e n t r y 大学1m 1 1 的先进连接中心采用等离子弧辅助激光对薄板( o 1 6 r a m ) 焊接，有效解决了激光高速焊带来的表面成型不连续的问题，焊接速度比单独激光焊 提高1 0 0 左右。而且，由于电弧与激光之间的相互作用，使得电弧非常稳定，即使焊 接速度高达9 0 m r a i n 时电弧也没有出现不稳定状态，可以获得较宽的焊道和光滑的焊 1 l 缝表面。 3 、激光- - m i g m a g 复合热源焊接专家系统 德国的f r a u n h o f e ri l t 3 9 】研制了一套复合热源焊接储油罐的专家系统，采用c 0 2 激光与m i g 复合，能够焊透5 8 m m 厚的油罐壁，并设计了多种不同的焊接参数。这 项应用，使激光和m i g 复合的柔性化焊接变为现实，能够应用于特殊性能材料的焊接 和特殊的加工环境中。它对于不精确的预处理条件有较强的适应性。与单纯的激光焊 接相比，在增加能量输入的基础上，焊缝和热影响区的硬度减小了，工作效率大大得 到了提高。其结构如图1 1 5 示。 图1 1 5f r a u n h o f e ri l t 制造的激光o m i g 复合热源油罐焊接系统 1 3 4 激光一电弧复合热源焊接机理研究现状 激光与电弧复合焊接过程是一个复杂的物理化学过程，在比较小的焊接区域中有 大量的高温激光致等离子体、电弧等离子体、受热蒸发的母材金属以及电离的保护气 体等等，所以要想彻底的解激光与电弧的相互作用是一件很困难的事。因此近年来国 内外的焊接研究者们对激光一电弧复合热源焊接的机理进行了大量的研究，主要为以 下几种： 1 、激光对电弧的吸引和压缩 在激光- - t i g 复合热源焊接过程中发现t i g 电弧被吸引和压缩到激光与工件的 作用点处。这是因为电弧行径遵守最小电压原理即当激光作用于工件上时将产生产生 金属蒸气，金属蒸气电离能比焊接保护气体低，因而金属蒸气在电弧热的作用下电离 形成带电粒子( 光致等离子体) ，增加了激光作用点处的电导率，从而也就低了电弧经 过该路径时的电阻，从而使靠近电弧斑点区的电流密度增大；再者激光作用点处的和 周围的温差很大，焊接时容易电弧收缩，综合以上两点原因就电弧压缩和吸引现象。 国内外的学者对这一现象进行了研究。 s t c c n 和e b o o ”研究了激光- - t i g 复合热源的机理时，认为在复合焊接中电弧倾 向于在激光作用点上产生每种电弧对电流都产生阻抗，这个阻抗和电荷密度及其移 动特性成反比在光致热点上，电弧热电离和阴极热发射所需的能量降低，阻抗减小， 激光热作用点的电离电位下降。s t e e n 通过计算焊接接头横面形貌得到了验证，如图 1 1 6 所示 日本的m o r i a k i n 3 1 认为在单电弧焊时，电弧是由工件( 阴极) 的热电子发射来维 持的，当焊速增大时，工件吸收的热量不足，因而电弧变得不稳定。相反，在复合焊 时，匙孔中每立力一厘米电子数可达1 0 7 1 0 2 0 个，并且匙孔的周围是熔化金属，因而热 发射变得很容易。而且复合焊中电弧被明显压缩，弧柱能量密度增大。如图1 1 7 所示。 gd e no u d e n 等人啪利用5 0 0 w 的小功率n d ：y a g 激光与t i g 电弧进行复合，研 究了激光电弧之间的相互作用。发现激光可使电弧的引燃电压降低到原来的1 2 0 ，这 是由于激光产生的等离子体包括金属原子、电子以及正离子，当施加电压时，电子向 阳极运动，正离子向阴极运动，这就产生了个极，这激发了阴极的热发射，因此引 燃电压降低。并且他们发现激光束可使电弧电压变化很小，电弧变得稳定。这是由于 激光等离子体中的离子密度大，因而其电导率比电弧等离子体高很多，这会使激光等 离子体与电弧发生反应，使电弧受到压缩，并且可以引导电弧。 图1 1 6 融合区形貌计算值与实验值的比较 h o ts p o l 图1 1 7 复合焊与电弧焊热发射机理比较 ( a ) 电弧焊热发射机理( b ) 复合焊热发射机理 2 ，等离子密度的稀释 以前的理论认为，在激光焊接过程产生的高温、高密度的等离子体对激光束产生 了吸收、散射、反射等作用，降低了激光的能量利用率。这作用过程的基本机理可 以归结为光子与电子的相互作用( 即逆韧致吸收) 。根据等离子体物理理论，逆韧致辐 露磕踏| | 射吸收系数可以从玻尔兹曼方程得出： k _ ! 兰! ! ! 堡垫垒 一4 知2 c ；( 2 翮。灯) 引2 【1 一 。e ) 2 】1 2 式中，z 为离子价数，嘞为离子密度，以为电子密度l n a 为库仑对数，。o 为介电常数，丘 为玻尔兹曼常数，t 为等离子体温度，为入射激光角频率，“砷为等离子体电子振荡角频率。 由上式可知，在一定的条件下，吸收系数还可以被简化为等离子体密度和温度的 函数。降低等离子体密度、提高等离子体温度可以降低其对激光的吸收系数。 天津大学的路登平等人“仞用s t a r k 扩展线宽法( s t a r kb r o a d e n e dl i n e w i d t h ) ， 测定了单独电弧、单独激光和激光一电弧复合三种情况的电子密度。实验装置及研究 结果如图1 1 8 、图1 1 9 所示。单独激光焊接时，由于激光等离子体的电子密度很高， 3 9 6 1 5 a 和3 9 4 4 o a 两条谱线严重自蚀a 当激光与电弧复合后两条谱线的自蚀现象减弱 了。表明激光与电弧复合后使电子的密度降低，即激光等离子体被电弧稀释，减小了 致密等离子体对激光的屏蔽作用，从而提高了激光能量的利用率。 1 塞 每 图1 1 8 电子密度的测量原理 图1 1 9 铝的3 9 6 1 5 “、3 9 4 铀。谱线 3 、电弧预热提高材料对激光能量吸收率 金属材料的光学特性与温度有密切的依赖关系，金属对激光能量的吸收能力随着 温度的升高呈非线性增长。由于电弧加热工件面积较大，对工件有预热作用。当材料 的温度从室温提高到熔化温度t k 时，吸收率可达9 0 以上m 。应此可以提高金属对 激光的吸收率，提高能量的利用率。 4 、其他理论 m o r i a k i l l 3 】采用激光复合m a g ，测量了焊接电弧电压的变化图，发现单独电弧焊接 时，电压波动范围很大，过渡时间大约5 0 - 1 0 0 m s ，当复合后，电压波动范围明显减小， 并且熔滴过渡时间大约为l o m s 。 哈尔滨工业大学的陈彦宾等人对同轴复合焊接过程中的温度场进行了测量1 。发 现电流比较小时电弧被压缩，电路大时电弧变的膨胀。随后他们利用激光烧灼有机玻 1 4 璃的方法测量激光穿过电弧时，电弧对激光的吸收与散焦特性4 5 卜哺1 。结果表明，随 焊接电流的增大，电弧对激光能量的吸收逐渐增大，但当电流达到一定程度时，电弧 对激光能量的吸收基本保持稳定。激光的功率不同导致不同区域对激光的吸收不同。 焊接电流和激光功率越大，电弧的散焦作用越强。 大连理工大学焊接研究所开展了镁合金激光一电弧复合热源焊接机制的研究，获 得了一系列的研究成果4 7 卜1 5 3 1 。 。 1 4 高速摄像机在焊接中的应用 焊接过程中焊缝的形状以及焊缝中产生的缺陷，如夹渣、气孔、缩孔等都与电弧 的形态有很大关系。由于电弧发出的强烈的光和熟，给电弧的观察带来了定的困难。 采用通常的观察方式或摄像，往往只能看到电弧的强烈光亮，而无法看清焊接过程中 高速运动变化的电弧的形态。采用高速摄像机采集电弧的高速动态图像是解决这一问 题的有效途径。高速摄像技术能把一个高速运动过程的空间信息和时间信息联系在一 起，是一种能够记录高速运动过程的工具，在焊接中，常用于熔滴过渡过程和电弧形 态的变化的研究 哈尔滨工业大学利用c c d 图像采集系统拍摄了激光作用下的t i g 电弧形态，并做 了图像处理嘲。华中理工大学设计制作了真空电弧图像瞬态摄像系统。应用拍摄的高 清晰度电弧图像，对真空电弧的形态演变及微观参数分布规律进行了分析讨论，发现 了触头侧面也是真空电弧重燃点日本大阪大学工程学院和日本大阪大学焊接研究所 通过c c d 图像采集系统拍摄了激光氩弧复合热源焊接过程中激光诱导等离子体流和电 弧形态，图1 2 0 中的两组图分别为他们所拍摄的激光焊中的激光诱导等离子体流及激 光氩弧复合热源焊接中的激光诱导等离子体流和电弧形态嘲1 。 a ) i 岫掣一曲咖粤呻k 缸h 百叫l 一曲蛐呻- 地。踊伊3 0 4 d 晒喀1 h 幅瓤i 晦 b ) i 五垂职| d 曲嘟霉哪b 硝舭柚d p h 螂婶h 琳a f l 细埘缸畸1 i 簟1 0 嗨州饿h 略 图1 2 0 激光诱导等离子体流和电弧形态 1 5 1 5 焊接光谱在焊接中的应用 众所周知，焊接电弧是一种气体放电现象，光辐射是焊接电弧最明显又是最基本的 一种物理现象。它有着很多优点，如：信息量丰富、灵敏度高、选择性好、响应速度 快、时空分辨率高。从光辐射理论可知，电弧光辐射主要有以下过程：运动着的电子和 离子相互碰撞时电子在库仑场中加速或减速产生一种最普遍的辐射，称之为韧致辐射 ( 自由一自由，f _ f 跃迁) ，表现为连续光谱辐射：电子与离子碰撞时产生复合而产生的 辐射称之为复合辐射( 自由一束缚，f - b 跃迁) ，亦为连续光谱辐射；原子中处于激发态的 束缚电子跃迁到较低能态时产生的辐射，称之为束缚辐射( 束缚一束缚，b - b 跃迁) ，表 现为线光谱辐射，不同原子或离子所具有的线光谱是不同的，同时线光谱还会受到粒 子本身和其它粒子运动状态的影响而发生展宽或频移。主要的展宽有斯塔克展宽和多 普勒展宽。焊接电弧中的熔滴、熔池可看成是准黑体，发出近似黑体的辐射。黑体辐射 亦是连续谱，它在频域上的分布服从著名的普朗克定律。电弧中的各种辐射都有各自的 特性，这为焊接电弧光谱信息的具体应用创造了有利条件。目前发射光谱在焊接中的应 用主要分为两方面：， ( 1 ) 等离子体射流的基本状态和特征分析1 5 5 1 - t 5 7 1 利用光谱诊断技术对等离子体射 流的基本状态和特征进行分析是目前较为理想的诊断方法。其原理是通过光谱仪得到 等离子体射流的发射光谱，根据光谱辐射强度与等离子体射流的电子温度、电子密度和 其他粒子成分等参数之间的关系来反映等离子体射流内部的物理状态及其过程。 ( 2 ) 提高焊接过程自动控制效率 5 8 1 实现焊接过程的高度自动化是现代焊接技术发 展的一个主要方向，是提高焊接效率和质量的主要技术途径，而获取高品质的控制信息 是实现焊接过程自动化的前提条件。光辐射是焊接电弧最明显最基本的一种物理现象， 把电弧光作为一种对焊接过程自动控制有重要应用价值的信息源而加以系统的研究， 可以使信息量大大增加，信号品质大大提高，从而提高过程控制效率。焊接电弧光谱分 析与过程监控主要集中在单激光、单电弧焊接方面 5 9 1 - 酬。 1 6 本课题的主要研究内容 综合国内外已有的研究结果，有关激光一电弧复合热源的焊接机理及应用的 主要研究现状为： ( 1 ) 实验研究了不同的激光和不同的电弧所形成不同的复合方式，证明了激光一电弧 复合焊接对增加焊接熔深、提高焊接效率、提高焊接接头质量和降低焊接成本等方面 所具有的优势。 ( 2 ) 关于焊接机理方面的研究很少，已有的计算和理论分析都是在较大的简化条件下 进行的。对复合焊接过程中激光和电弧之间的相互作用机制的研究需要进一步的研究。 ( 3 ) 尚未开展低功率激光一电弧复合热源焊接的研究。 1 6 综上所述可知，目前国内外对激光电弧复合热源焊接技术的研究主要集中在几千 瓦或十几千瓦大功率激光器与电弧复合上，这给复合焊接技术发展带来了以下问题： 首先，激光器的光电转换效率低( 小于3 ) ，输出1 千瓦激光需要近3 5 千瓦的电能懈， 所以激光功率越大，能量消耗就越大；其次，大功率激光器体积大、成本及维护费用 高；同时电弧对激光具有散焦作用，并且激光功率越大，电弧对其散焦作用就越明显， 导致激光能量密度减小嘟1 ，因此大功率激光与电弧的复合将造成能源的极大消耗，焊 接成本高，不利于实际生产需求。因此国外各研究机构对成本低、能源消耗低的低功 率激光与电弧复合热源焊接技术进行了系列的研究晰1 。m 。 我国对低功率激光电弧复合热源焊接研究较少，尤其是有关低功率激光m i g m a g 复合焊接的研究报道更少。本文主要进行了低功率y a g 激光m a g 复合热源焊 接方面的基础性研究，并利用高速摄像机、光谱仪等测试手段探索低功率激光与m a g 电弧相互作用的物理机制进行了初步研究，为后续的研究和促进该技术的实际应用提 供技术依据及理论指导。研究内容主要包括以下几方面： ( 1 ) 实验研究低功率y a g 激光- - m a g 电弧复合焊接过程的各主要因素，包括 激光功率、焊接电流、焊接速度等、离焦量( 办，激光与电弧之间的距离( d l ) 对焊 缝形状的影响规律，确定低功率y a g 激光- m a g 复合热源焊接技术的可行性，最终完 成对焊接工艺的确定。 ( 2 ) 不锈钢低功率y a g 激光- - m a g 电弧复合热源焊接接头组织和力学性能分析。 借助金相显微镜、扫描电镜和能谱仪等先进的分析澳9 试手段分析了不锈钢的焊接接头 组织特